世界記録を破ろう！中国の「人工太陽」が大きな進歩を遂げた！

「人工太陽」は「トカマク」装置とも呼ばれ、太陽の発光と発熱の過程で起こる一連の反応をシミュレートして作られ、人間が制御する核融合研究装置です。これは制御核融合技術の将来の応用方向の一つです。

「人工太陽」はクリーンかつ効率的であるだけでなく、反応を維持するために必要な条件が非常に厳しいため、事故が発生した場合でも即座に反応を自発的に停止することができます。

しかし、核融合反応を安定的に進行させることは難しく、プラズマ制御技術に対する要求は高い。最近、中国の科学者たちはこの問題の解決に向けて小さな一歩を踏み出しました。

西洋物理学研究所の「高制約モデル」

中国核工業集団西南物理研究所（以下、「SWIP」）は8月25日、「中国ループ3」トカマク装置（HL-2M）が初めてプラズマ電流100万アンペアでの高閉じ込めモード運転を達成したと発表した。

この画期的な成果は、核融合装置の総合的な能力を反映したものであり、我が国の核融合エネルギー開発プロセスにおける重要な節目となります。 2022年11月初め、華西物理研究所はHL-2Mのプラズマ電流が初めて100万アンペアを超えたと発表した。今回実現した「高制約モード運転」の意義は何でしょうか？

高閉じ込めモードは、1982 年にドイツの科学者フリードリヒ・ワーグナーによって初めて提案された先進的な原子炉運転モードです。

以前の動作モードと比較して、高閉じ込めモードでは、プラズマを加熱して核融合条件を達成するプロセスでプラズマの密度とエネルギー貯蔵を大幅に増加させることができ、核融合反応の効率が数倍向上します。高閉じ込めモードの発見による最も直接的な影響は、核融合炉の規模を縮小し、建設コストを節約できることです。これは、建設中の国際熱核融合実験炉 (ITER) で選択された標準的な動作モードでもあります。

建設中のITER（2018年撮影）

画像出典: wikipedia

将来の核融合炉は、数百万アンペアの電流で高閉じ込めモードで安定して動作する必要がある。具体的には、核融合反応の応用を実現するためには、反応によって生成されるエネルギーが消費されるエネルギーよりも大きく、かつ、反応を安定的に維持できるだけのエネルギーがなければなりません。この判断基準は「ローソン基準」と呼ばれます。

この実験の成功は、ローソン基準の達成に一歩近づいたことを意味します。この偉業を達成するために、「（研究チームは）今年、高電流下での高閉じ込めモード動作制御、高出力加熱システムの注入結合、高度なダイバータ構成制御という3つの重要な技術的課題を克服しました。」西洋物理学研究所制御情報技術研究室所長兼研究員の李波氏が新華社通信のインタビューでこれを紹介した。

今後の研究の方向性

華西物理研究所は、プラズマ温度を1億度まで上げるなど、高閉じ込めモードにおけるパラメータをさらに改善する計画だ。将来的には、HL-2M はプラズマ電流能力を 250 万アンペア以上に増加させる予定です。

HL-2M 100万アンペアプラズマ動作の実際の映像

画像出典：新華網

ローソン基準は主に、燃料のイオン温度、プラズマ密度、エネルギー閉じ込め時間という 3 つのコアパラメータに依存します。

科学者たちはこれらの指標を一つずつ改善し、制御された核融合の応用を実現するという目標に近づいています。運転時間においては、完全超伝導トカマク型核融合実験装置「EAST（イースタン・スーパー・リング）」が今年4月に世界記録を樹立し、403秒間の定常高閉じ込めモードプラズマ運転に成功した。

人類の歴史において、核融合の研究は100年以上続いています。過去20年間、HL-2Mなどの大規模実験施設が完成し、科学者たちは常に新たな目標に向かって努力し、2050年までにエネルギー利用を実現することに尽力しています。

参考文献

[1] 新華網新世代人工太陽「China Circulation 3」を訪ねる[EB/OL]。 http://www.news.cn/tech/20230901/f90cd937d9984314b9baa4c8221db374/c.html。 2023-09-01/2023-09-06。

[2] 董佳奇トカマク高閉じ込め運転モードと磁気閉じ込め制御核融合[J]。物理学、2010、39（06）：400-405。

[3] 段旭如科学技術日報。制御された核融合を実現するために三重生成物を改良する[EB/OL]。 http://www.news.cn/science/2022-11/08/c_1310674449.htm.2022-11-08/2023-09-06。

[4] 中国核工業集団大躍進！私の国は、高閉じ込め制御核融合[EB/OL]の高度な制御技術を習得しています。 https://www.cnnc.com.cn/cnnc/xwzx65/ttyw01/1365133/index.html.2023-08-28/2023-09-06。